1 引言
多電平逆變器克服了傳統(tǒng)逆變器較高的dv/dt,di/dt所引起的開關(guān)應(yīng)力，改善了其輸出波形，在高壓大功率變頻調(diào)速及靜態(tài)無功補(bǔ)償方面有著越來越多的應(yīng)用。10kv以下的中壓大功率多電平逆變器已用二極管嵌位式三電平結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，發(fā)展和簡化其控制策略對二極管嵌位式三電平逆變器的工業(yè)化應(yīng)用有重大意義。
三電平逆變器中點(diǎn)電位的平衡是保證電機(jī)安全高效運(yùn)行的一個(gè)重要標(biāo)志，若中點(diǎn)電位不平衡，會使其輸出電流諧波含量加大，三相輸出不對稱，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致開關(guān)器件的損壞。
考慮到成本和靈活性，通過對svpwm主控算法的改進(jìn)來解決中點(diǎn)電位波動問題更具有競爭性。本文以一種簡單的svpwm方法為基礎(chǔ)，提出了一種通過判斷中點(diǎn)電容電位而合理選擇小矢量的無電流傳感器的中點(diǎn)電位控制方法，并對其進(jìn)行驗(yàn)證。
2 基于svpwm算法的三電平逆變器的工作原理
2.1 三電平逆變器的主電路

圖 1 三電平逆變器二極管嵌位式主電路
圖1是三電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。每一橋臂由4個(gè)igbt和2個(gè)嵌位二極管組成。在保證1，3和2，4 位置igbt管互補(bǔ)的前提下，開關(guān)狀態(tài)組合能產(chǎn)生三種電壓狀態(tài):+e/2,0,-e/2(分別記為1,0,-1)。
2.2 空間電壓矢量的pwm算法[1]
三電平逆變器的park方程為:

(1)
引入開關(guān)函數(shù)su，sv，sw來代替式(1)中的vu，vv，vw，則有:

(2)
通過式(1)變換，三相橋臂能輸出27種狀態(tài)，每種狀態(tài)都對應(yīng)1個(gè)空間矢量。如圖2所示，一般將幅值為

的矢量定義為大矢量;幅值為

的矢量定義為中矢量;幅值為

的矢量為小矢量。

圖2 三電平逆變器空間矢量圖
采用三電平逆變器的空間矢量控制，將空間矢量圖分成6個(gè)60°的大三角形，如圖3所示，在每一個(gè)大三角形內(nèi)有分成4個(gè)小三角形，在每個(gè)區(qū)域內(nèi)，采用最近三矢量合成法則。

圖3 第一扇區(qū)的大三角形
如果參考電壓vr=vejθ包含在三角形c中，vr就用v1,v2,v8的時(shí)間線性組合來近似等效，其三頂點(diǎn)作用時(shí)間可由下式求解:

(3)

(4)
其中,t=ts/2，ts為開關(guān)時(shí)間。解得:

(5)

(6)

(7)

3 三電平逆變器的中點(diǎn)電容電位的平衡控制
3.1 中點(diǎn)電位的不平衡分析
盡管三電平逆變器中直流測的兩個(gè)電容的充放電平均電流可能相等，但電流之間存在相位差，充放電的暫態(tài)過程不對稱，因此不平衡性是客觀存在的問題。在開關(guān)矢量中，大矢量不會影響中點(diǎn)電壓的平衡，中矢量無選擇余地，但其能自動平衡。小矢量對中點(diǎn)電位的影響最大。小矢量又分為正小矢量和負(fù)小矢量，它們對中點(diǎn)電位的影響效果正好相反[3]，可通過合理的選擇正負(fù)小矢量及合理分配其作用時(shí)間來解決中點(diǎn)電位平衡問題。
3.2 中點(diǎn)電位的平衡控制策略
為了減化直流側(cè)電容中點(diǎn)電位的波動，將大三角形劃分為6個(gè)小三角形。如圖4所示(因?yàn)樵赼2，c2區(qū)域中，有t1>t2，首發(fā)小矢量的時(shí)間就相應(yīng)地增長了，也保證了可用于調(diào)節(jié)直流測電容中點(diǎn)電位的小矢量作用時(shí)間增加了，更能有效的控制中點(diǎn)電位平衡)。為了防止在扇區(qū)切換中輸出矢量的突變，保證輸出矢量的平滑性，用于合成的首發(fā)矢量全部采用負(fù)小矢量。各小三角形相應(yīng)的輸出矢量的作用順序如附表。

圖4 矢量區(qū)域劃分圖
附表 各區(qū)電壓矢量順序

為了進(jìn)一步減少直流則電容的中點(diǎn)電位波動，在a1，a2，c1，c2區(qū)中，有兩個(gè)小矢量，可以通過首發(fā)或末發(fā)小矢量預(yù)先抵消另一個(gè)小矢量對中點(diǎn)電位影響，再根據(jù)中點(diǎn)電位情況，通過這兩小矢量作用時(shí)間差合理分配來調(diào)節(jié)中點(diǎn)電位。例如當(dāng)vr=vejθ在c1區(qū)域時(shí)，半個(gè)周期內(nèi)它的輸出矢量作用順序?yàn)?①(0,-1,-1)→②(0,-1,0)→③(1,-1,0)→④(1,0,0)，它的另一小矢量②為負(fù)小矢量，所以末發(fā)矢量要預(yù)先分配正小矢量來抵消其對中點(diǎn)電位的波動影響，再用兩個(gè)小矢量的時(shí)間差作為矢量①的作用時(shí)間去調(diào)節(jié)中點(diǎn)電位的平衡。它可按圖5發(fā)pwm驅(qū)動信號。

圖5 輸出矢量時(shí)序圖
其中t為調(diào)節(jié)時(shí)間，且t=(t1-t2)/2;
k為中點(diǎn)電位調(diào)整系數(shù)且0<k<1，
且k(n)=k(n-1)-sign(uc1-uc2)×0.1。其中，sign(x)為符號函數(shù)，當(dāng)x>0時(shí),sign(x)=1; x=0時(shí)，sign(x)=0; 否則sign(x)=-1。
矢量v1的作用時(shí)間為kt，具體的控制規(guī)律為:
當(dāng)uc1=uc2時(shí)，k=0.5;當(dāng)uc1>uc2時(shí)，0<k<0.5; 當(dāng)uc1<uc2時(shí)，0.5<k<1;控制其中k與中點(diǎn)電壓成比例關(guān)系,隨中點(diǎn)電壓變化而變化,中矢量的影響反映在中點(diǎn)電壓的變化上,通過正負(fù)矢量的作用調(diào)整也可以得到抑制。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
采用igbt建立二極管嵌位式三電平逆變器的主電路，以三相交流電動機(jī)為負(fù)載，對中點(diǎn)電壓的平衡控制進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)參數(shù)為:采樣頻率為1khz, c1=c2=1000μf; 電動機(jī)pn=2.2kw，rs=3.18ω，ls=10.304mh，un=220v，f=30hz，rr=1.308ω，lr=7.62mh，p=2，j=0.089kg·m2。
從圖6可以看出:在加入中點(diǎn)電位控制前，中點(diǎn)電位在三相負(fù)載對稱情況下依然會偏離0電位，在某一幅值上下振蕩;加入中點(diǎn)電位控制反饋后，圖7為c區(qū)按圖4細(xì)分后，用兩小矢量的時(shí)間差來調(diào)節(jié)中點(diǎn)電位所的波形，從圖7可以看出，偏離現(xiàn)象都能得到仰制，它的幅值變化小，效果明顯。圖8為相電壓、電流輸出波形。

圖6 沒有中點(diǎn)電位控制中點(diǎn)電壓 圖7 有中點(diǎn)電位控制中點(diǎn)電壓

圖8 相電壓、電流輸出波形

5 結(jié)束語
總之，根據(jù)各矢量對中點(diǎn)電位影響情況，將空間電壓矢量扇區(qū)細(xì)分后，通過測量直流側(cè)電容的電壓值，以兩個(gè)小矢量的時(shí)間差能調(diào)節(jié)中點(diǎn)電位，使之約束在一定范圍內(nèi)，同時(shí)提高了三電平逆變器的穩(wěn)定性且減少了諧波含量，而且易于實(shí)現(xiàn)，是一種可行的中點(diǎn)電位控制策略。